微觀結(jié)構(gòu)分析儀器在金屬材料本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用與探索

摘 要 微觀結(jié)構(gòu)分析儀器是材料學(xué)中先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的代表，在科研工作和實(shí)際生產(chǎn)中起著重要的作用。本文以廈門大學(xué)材料學(xué)院為例，介紹了掃描電鏡、透射電鏡和電子探針等微觀結(jié)構(gòu)分析儀器在本科生金屬材料實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用與探索。

關(guān)鍵詞 本科實(shí)驗(yàn)教學(xué) 微觀結(jié)構(gòu)分析 金屬材料

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著電子顯微技術(shù)的快速發(fā)展，微觀結(jié)構(gòu)分析儀器設(shè)備已然成為材料學(xué)尤其是金屬材料中先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的代表，在科研工作和實(shí)際生產(chǎn)中起著重要的作用，同時(shí)也是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要平臺(tái)。①目前，全國不少高等院校圍繞常用大型儀器設(shè)備開設(shè)了現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)和材料現(xiàn)代研究方法等類似理論課程，但相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程則由于實(shí)驗(yàn)條件和儀器設(shè)備使用等諸多條件的限制并未正式開設(shè)。因此，如何就大型微觀結(jié)構(gòu)分析儀器在本科生金屬材料實(shí)驗(yàn)中開設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程是值得探究的。②③④本文就廈門大學(xué)材料學(xué)院為例，詳細(xì)介紹了幾種主要的微觀結(jié)構(gòu)分析儀器，即掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和電子探針微區(qū)成分分析儀等，闡述這些儀器在本科生金屬材料實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，目的在于充分利用大型儀器設(shè)備提高材料及相關(guān)專業(yè)本科生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)效果，起到為教學(xué)和科研服務(wù)的作用。

1 大型微觀結(jié)構(gòu)分析儀器開展本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)存在的主要問題

以往的本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)所講述的實(shí)驗(yàn)都是一些基本實(shí)驗(yàn)，所使用的設(shè)備相對(duì)比較簡(jiǎn)單、陳舊，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的興趣和實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性，在實(shí)驗(yàn)過程中并沒有將理論知識(shí)實(shí)際地應(yīng)用于材料微觀組織結(jié)構(gòu)分析。而針對(duì)大型微觀結(jié)構(gòu)分析儀器，比如掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和電子探針微區(qū)成分分析儀等，由于設(shè)備成本昂貴，機(jī)時(shí)緊張，儀器操作程序和樣品制備過程復(fù)雜，且維修保護(hù)費(fèi)用和時(shí)間有限，因此這些大型儀器需有專門工程師進(jìn)行維護(hù)管理，一般僅供教師、博士生和碩士生使用，而且是在嚴(yán)格培訓(xùn)的基礎(chǔ)上方可獨(dú)自上機(jī)操作。⑤⑥對(duì)本科生教學(xué)實(shí)驗(yàn)開放力度不夠，許多大型儀器設(shè)備僅是在教師的帶領(lǐng)下進(jìn)行參觀，學(xué)生并沒有機(jī)會(huì)了解到這些儀器設(shè)備的詳細(xì)結(jié)構(gòu)、實(shí)際用途等。

2 大型微觀結(jié)構(gòu)分析儀器在開展本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用與探索

近年來，在我校“985工程”和“211工程”學(xué)科建設(shè)和教學(xué)基地建設(shè)項(xiàng)目的大力支持下，我院中心實(shí)驗(yàn)室陸續(xù)引進(jìn)大批先進(jìn)分析測(cè)試儀器設(shè)備，并于近年成立了材料學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，是廈門大學(xué)材料學(xué)院教學(xué)和科研的重要基地。同時(shí)，我校化學(xué)化工學(xué)院的分析測(cè)試中心也擁有大量的微觀結(jié)構(gòu)分析測(cè)試儀器。目前，我院可用的大型微觀結(jié)構(gòu)分析儀器包括掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、透射電子顯微鏡、電子探針微區(qū)成分分析儀等，能夠滿足材料學(xué)尤其是金屬材料微觀組織結(jié)構(gòu)的分析需要。近年來，為了更好地搭建充分利用大型儀器設(shè)備的平臺(tái)，學(xué)院也進(jìn)行了新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索，以此提高本科生的材料測(cè)試分析方法，增強(qiáng)本科生實(shí)踐操作技能。

2.1 微觀結(jié)構(gòu)分析儀器在本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

金相顯微方法是金屬材料微觀組織觀察中最為常用的方法，光學(xué)顯微鏡也逐漸成為研究和檢驗(yàn)金屬材料組織的有效手段，而“金相學(xué)”也被認(rèn)為是金屬學(xué)的先導(dǎo)和形成基礎(chǔ)，也是早期金屬學(xué)的代名詞。⑦但是光學(xué)金相顯微鏡受到光源波長(zhǎng)和觀察對(duì)象細(xì)節(jié)衍射效應(yīng)以及透鏡成像的物理規(guī)律的限制，發(fā)展到現(xiàn)在其鑒別能力僅為200nm，有效的放大倍數(shù)僅在1000倍左右。⑧而電子顯微鏡采用比可見光波長(zhǎng)短很多的電子波作為光源，其分辨能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光學(xué)顯微鏡，鑒別能力可達(dá)0.3～0.5nm，有效放大倍數(shù)可高達(dá)幾十萬倍，因此可以觀察到許多光學(xué)顯微鏡觀察不到的微小析出相等，甚至高分辨電子顯微鏡可以觀察到單個(gè)晶胞內(nèi)的原子排列，因此已然成為金屬材料微觀分析的必要手段。⑨

例如，純鋁的變形和再結(jié)晶以及鋁合金的拉伸實(shí)驗(yàn)是本學(xué)院本科生金屬材料實(shí)驗(yàn)里面的兩個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)。以往向?qū)W生介紹原材料時(shí)，主要通過實(shí)驗(yàn)講義，簡(jiǎn)單地向?qū)W生描述原材料的組成以及純度，學(xué)生既沒有直接測(cè)量，也沒有感性認(rèn)識(shí)。結(jié)合電子探針成分分析儀可以準(zhǔn)確地測(cè)量原材料的組成以及純度，學(xué)生不僅了解電子探針試樣制備方法、儀器構(gòu)成、儀器操作及注意事項(xiàng)，還可以結(jié)合電子探針的背散射電子衍射成像技術(shù)對(duì)合金微觀組織進(jìn)行研究。如此，學(xué)生可以形象地觀察合金的相組成情況，結(jié)合光學(xué)顯微鏡的結(jié)果，對(duì)合金的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析。

再比如，學(xué)生在材料力學(xué)相關(guān)課程中已了解到材料的力學(xué)性能及相應(yīng)的拉伸行為，但缺乏直觀認(rèn)識(shí)：學(xué)生僅能通過拉伸曲線計(jì)算出材料的斷裂應(yīng)變和斷裂強(qiáng)度等，但無法知曉斷口的微觀形貌、裂紋的產(chǎn)生以及擴(kuò)展、缺陷位錯(cuò)的產(chǎn)生等，因?yàn)檫@些細(xì)微特征無法通過拉伸曲線或光學(xué)顯微鏡進(jìn)行準(zhǔn)確觀察。但結(jié)合掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡，上述問題得以進(jìn)行詳細(xì)研究與分析。掃描電子顯微鏡景深比較大，分辨率高，可以清楚觀察到拉伸試樣的斷口，由此可以直觀地判斷材料屬于脆性斷裂還是韌性斷裂，同時(shí)觀察拉伸試樣的表面，可以分析微觀裂紋的產(chǎn)生以及繁衍過程，進(jìn)而分析影響試樣斷裂的主要因素，最終提出改善材料塑性的有效方法。眾所周知，透射電子顯微鏡的樣品制備過程較其他分析儀器復(fù)雜，因此學(xué)生可以在教師帶領(lǐng)下，對(duì)拉伸后的試樣進(jìn)行透射電鏡的觀察。在此過程中，教師在指導(dǎo)學(xué)生了解透射電子顯微鏡樣品的制備方法，如離子減薄或雙噴減薄等，以及制備透鏡樣品的要求和注意事項(xiàng)后，對(duì)其進(jìn)行透鏡觀察。學(xué)生可以直觀了解透射電鏡的構(gòu)成、儀器的操作，然后觀察拉伸試樣的微觀缺陷等。這樣可以很大程度地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性，同時(shí)也可以使學(xué)生將學(xué)到的理論知識(shí)實(shí)際地應(yīng)用在材料的觀察分析中。

2.2 微觀結(jié)構(gòu)分析儀器在本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的探索

（1）實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革。在滿足教師和碩博研究生正常的科研需求外，如何合理有效地配置有限的資源，提高大型分析測(cè)試儀器的利用率，以及如何搭建教師-研究生-本科生的教學(xué)模式，使本科生在進(jìn)入碩士階段或是步入社會(huì)企業(yè)之前就可以了解材料相關(guān)微觀結(jié)構(gòu)分析的先進(jìn)儀器，全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)和動(dòng)手分析能力，是各高等學(xué)校急需解決的現(xiàn)實(shí)課題。近年來，國內(nèi)各高校紛紛提出了大型儀器設(shè)備開放資源共享，包括教學(xué)開放、科研開放和對(duì)外服務(wù)開放。廈門大學(xué)材料學(xué)院在綜合考慮了上述因素之后提出了在基礎(chǔ)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)外，讓學(xué)生在大四上學(xué)期實(shí)行本科生走進(jìn)各實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)要求，即開展針對(duì)性強(qiáng)的綜合實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在此過程中，首先擁有選擇權(quán)，即學(xué)生可以根據(jù)自身興趣，選擇相關(guān)專業(yè)方向的導(dǎo)師，然后開始進(jìn)入該導(dǎo)師實(shí)驗(yàn)室開展的相關(guān)綜合實(shí)驗(yàn)。每位導(dǎo)師可以選擇3～4名學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)，既保證了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也保證導(dǎo)師有充足的時(shí)間給予每位學(xué)生指導(dǎo)。本科生在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，導(dǎo)師首先給予相關(guān)課題，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求申請(qǐng)相關(guān)的大型微觀結(jié)構(gòu)分析儀器，并由已經(jīng)熟悉整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的碩博士生直接指導(dǎo)，就實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，最后向?qū)焻R報(bào)和討論相關(guān)結(jié)果。學(xué)院在大四上學(xué)期開展綜合實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)取得顯著的效果。大多數(shù)學(xué)生在綜合實(shí)驗(yàn)之后緊接著就開始自己的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)，馬上上手，無需過渡期，學(xué)生本科畢業(yè)設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量有了明顯提高。此外，在教師-碩博生-本科生的教學(xué)模式下，本科生有機(jī)會(huì)接觸大型微觀結(jié)構(gòu)分析儀器，并得到專業(yè)的介紹和指導(dǎo)，奠定了大學(xué)四年扎實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)，對(duì)畢業(yè)后參與社會(huì)工作起到了重要的作用。

（2）開設(shè)創(chuàng)新實(shí)踐課程。材料的微觀結(jié)構(gòu)表征是材料學(xué)重要的分析測(cè)試手段，尤其針對(duì)碩博研究生而言。因此學(xué)院在針對(duì)碩博士研究開設(shè)相關(guān)現(xiàn)代材料分析測(cè)試方法的相關(guān)課程外，需要有針對(duì)性的開設(shè)相關(guān)實(shí)踐課程。實(shí)踐課程多以創(chuàng)新實(shí)踐課程為主體，多期次的大型儀器應(yīng)用講座、操作培訓(xùn)為輔，每學(xué)期循環(huán)進(jìn)行，時(shí)間安排機(jī)動(dòng)，內(nèi)容形式靈活多變。學(xué)生可根據(jù)自身材料特點(diǎn)，選擇相關(guān)常用大型微觀結(jié)構(gòu)分析儀器進(jìn)行培訓(xùn)，并自帶樣品，現(xiàn)場(chǎng)制備。這樣，一方面可以提高碩博士研究生的動(dòng)手能力、分析和解決問題的能力，同時(shí)也學(xué)會(huì)了該類儀器設(shè)備的詳細(xì)操作流程。很明顯，有經(jīng)驗(yàn)的碩博士研究在搭建教師-研究生-本科生的教學(xué)模式中起著十分重要的作用。

（3）提高儀器使用效率，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。首先倡導(dǎo)有經(jīng)驗(yàn)、熟悉大型儀器操作的老師主持實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并由有經(jīng)驗(yàn)的、能獨(dú)立操作儀器設(shè)備的碩博士研究直接指導(dǎo)本科生的實(shí)驗(yàn)；其次，定期開展大型微觀結(jié)構(gòu)分析儀器相關(guān)培訓(xùn)，使更多學(xué)生納入其中，普及大型精密儀器的使用方法，可由學(xué)院安排專業(yè)的工程師任教；第三，將研究探索和實(shí)驗(yàn)教學(xué)可有機(jī)地結(jié)合起來，搭建教師—研究生—本科生的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；最后將與學(xué)生生活密切相關(guān)的對(duì)象融入到實(shí)驗(yàn)中，包括植物、陶瓷、塑料等其導(dǎo)師科研項(xiàng)目樣品作為實(shí)驗(yàn)樣品，只要滿足掃描電鏡要求的小樣品即可，以教學(xué)帶科研，以科研促教學(xué)。只有實(shí)現(xiàn)教學(xué)和科研的融合、滲透，才能有利于綜合性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的開展。

3 結(jié)束語

如果說實(shí)驗(yàn)室是培育材料學(xué)人才的搖籃，那么微觀結(jié)構(gòu)分析儀器便是搖籃里一把十分重要的工具刀。開設(shè)本科學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐課程，擴(kuò)大微觀結(jié)構(gòu)分析儀器的受益面，達(dá)到資源充分共享，如此提高了使用率，也豐富和完善了學(xué)校的實(shí)踐教學(xué)體系。這不僅能夠充分發(fā)揮國家投入教育資金的作用，而且將有效促進(jìn)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的進(jìn)一步深化。

注釋

① 湯云暉，王波，李耳.大型儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)教學(xué)與本科生、研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的探索實(shí)踐[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2010.17：129.

② 李耀光，王宏志.本科大型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與探索[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006.25（2）：208-214.

③ 謝友寶.大型綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2005.24（12）：70-78.

④ 劉健，孫小權(quán).發(fā)揮實(shí)驗(yàn)課在培養(yǎng)學(xué)生中的作用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006.25（5）：641-643.

⑤ 屈樹新，沈如.探索大型分析設(shè)備在本科教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2005.22（10）：30-33.

⑥ 賴蕓.充分發(fā)揮大型儀器設(shè)備資源優(yōu)勢(shì)的幾點(diǎn)思考[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2006.25（1）：134-135.

⑦⑧韓德偉，張建新.金相試樣制備與顯示技術(shù)[M].中南大學(xué)出版社，2005.

⑨ 戎詠華.分析電子顯微學(xué)導(dǎo)論[M].高等教育出版社，2006.